用于電子設(shè)備的定制設(shè)計(jì)HMI前端

交互式電子設(shè)備需要一個(gè)人機(jī)界面（HMI），允許用戶與底層電子設(shè)備進(jìn)行通信。使用帶有觸摸屏/顯示器的嵌入式計(jì)算機(jī)可以滿足這一要求，該計(jì)算機(jī)連接到能夠?qū)崿F(xiàn)用戶交互的大型設(shè)備。但是，如何將這樣的HMI前端用于專門的工業(yè)，醫(yī)療和軍事應(yīng)用？

在當(dāng)今的嵌入式設(shè)備中，HMI基本上由四個(gè)項(xiàng)目組成，包括顯示器、觸摸屏、處理器和操作系統(tǒng)。

顯示

顯示器向用戶提供機(jī)器狀態(tài)和應(yīng)用數(shù)據(jù)的可視化通信，并請(qǐng)求用戶輸入。平板顯示器（包括 LCD 和 OLED）是實(shí)現(xiàn)顯示器的硬件機(jī)制。顯示器的關(guān)鍵技術(shù)屬性不僅包括尺寸和分辨率，還包括亮度、視角、可讀性的特殊用例（如陽(yáng)光直射的明亮環(huán)境）以及可能包括極端高溫或低溫的操作溫度范圍。

觸摸屏

在復(fù)雜機(jī)械上使用觸摸屏進(jìn)行信息輸入的情況正在增加。目前使用的兩種主要觸摸屏技術(shù)是電容式和電阻式。投射電容技術(shù)在大多數(shù)智能手機(jī)中使用，但在潮濕或嘈雜的電磁環(huán)境中，或者使用厚手套可能不是最佳選擇。電阻技術(shù)在這些環(huán)境中已經(jīng)使用了很多年，但更容易劃傷，并且光學(xué)清晰度低于電容。關(guān)鍵參數(shù)包括所需的觸摸分辨率、手寫筆或其他觸摸儀器的使用、同時(shí)觸摸點(diǎn)的數(shù)量、手勢(shì)、環(huán)境條件和抗沖擊性。

處理器

處理器通?？刂艸MI子系統(tǒng)，渲染圖像并將其驅(qū)動(dòng)到顯示器，接受和解釋觸摸輸入，以及處理系統(tǒng)的指令。對(duì)于處理需求有限的低分辨率和/或靜態(tài)圖像，可以使用微控制器，可能運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。對(duì)于高分辨率顯示器、運(yùn)動(dòng)視頻或復(fù)雜系統(tǒng)，可能需要能夠運(yùn)行復(fù)雜操作系統(tǒng)的微處理器。具有硬件加速視頻和圖形引擎的處理器可提供最佳的功耗/性能權(quán)衡。處理器可以響應(yīng)HMI子系統(tǒng)中的用戶輸入，或通過RS-232，UART，Wi-Fi，PAN，以太網(wǎng)或USB等接口在HMI之外進(jìn)行通信指令和/或數(shù)據(jù)。

操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是在處理器上運(yùn)行的軟件，它通過提供與外圍設(shè)備（如觸摸屏、顯示器和其他界面）進(jìn)行通信的方式來簡(jiǎn)化應(yīng)用程序開發(fā)。當(dāng)針對(duì)特定電路板進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，操作系統(tǒng)稱為電路板支持包（BSP）。HMI 設(shè)備通常實(shí)現(xiàn)安卓、Linux 或視窗操作系統(tǒng)。安卓大大簡(jiǎn)化了用戶在HMI設(shè)備中進(jìn)行交互的軟件設(shè)計(jì)。

面向嵌入式應(yīng)用的 HMI：高度復(fù)雜的子系統(tǒng)

出于技術(shù)和業(yè)務(wù)原因，將這四個(gè)元素組合成功能性HMI子系統(tǒng)涉及大量復(fù)雜性。

電路板設(shè)計(jì)

現(xiàn)代微處理器的電路板設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。由于有數(shù)百個(gè)處理器封裝連接以及存儲(chǔ)器、電源組件和各種外設(shè)的相關(guān)電路板跡線，因此存在原理圖錯(cuò)誤和路由信號(hào)完整性問題的大量機(jī)會(huì)。這些問題的發(fā)生可能導(dǎo)致較長(zhǎng)的調(diào)試周期、代價(jià)高昂的重制和相關(guān)的計(jì)劃滑點(diǎn)。這種設(shè)計(jì)通常最好外包給知識(shí)淵博的公司，該公司了解嵌入式微處理器的操作并定期交付這些設(shè)計(jì)。

顯示器/觸摸屏

觸摸屏以光學(xué)、機(jī)械方式（有時(shí)是電氣方式）與底層顯示器進(jìn)行交互。因此，將顯示器及其觸摸屏視為子系統(tǒng)非常重要，兩者都針對(duì)HMI應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。顯示器/觸摸屏一起安裝在一個(gè)滿足加固要求和美學(xué)的封裝中。適當(dāng)?shù)娘@示器和觸摸屏組件的可用性通常是一個(gè)因素。經(jīng)驗(yàn)豐富的HMI設(shè)計(jì)人員可以幫助促進(jìn)各種性能，成本和可用性權(quán)衡。

業(yè)務(wù)計(jì)劃定制

BSP通常需要根據(jù)運(yùn)行它的嵌入式處理器平臺(tái)進(jìn)行定制。特殊外設(shè)的驅(qū)動(dòng)程序可能需要開發(fā)。刪除未實(shí)現(xiàn)的功能可能會(huì)防止崩潰。對(duì)于嵌入式 HMI 系統(tǒng)，可能需要自定義初始屏幕并直接引導(dǎo)到固定應(yīng)用程序（通常稱為展臺(tái)模式）?？赡苄枰鰪?qiáng)安全性。定制BSP的開發(fā)人員不僅要了解操作系統(tǒng)本身，還要了解底層硬件的復(fù)雜性以及應(yīng)用程序開發(fā)人員期望如何與BSP進(jìn)行交互。

環(huán)境的

HMI前端可供人類使用，通常暴露在惡劣的環(huán)境條件下。觸摸屏/顯示器通常由玻璃制成，容易受到?jīng)_擊，從而可能使設(shè)備破裂或破碎。劃痕會(huì)影響可見度。水分會(huì)滲入前擋板周圍并滲入內(nèi)部電路。來自強(qiáng)光或太陽(yáng)的眩光可能會(huì)使顯示器無法讀取。對(duì)于在戶外使用的設(shè)備，溫度范圍寬會(huì)導(dǎo)致操作問題，通常在角落情況下。幸運(yùn)的是，考慮到電子、機(jī)械、熱和光學(xué)設(shè)計(jì)的正確系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以確保產(chǎn)品的堅(jiān)固性。

監(jiān)管認(rèn)證

所有電子產(chǎn)品，無論行業(yè)、應(yīng)用或用例如何，都必須最低限度地通過監(jiān)管認(rèn)證。在美國(guó)，至少需要 FCC 第 15 部分對(duì) EMI/EMC 進(jìn)行測(cè)試。其他國(guó)家也有類似的要求，例如歐洲的CE認(rèn)證和加拿大的IC認(rèn)證。雖然HMI前端通常使用其連接的機(jī)器進(jìn)行認(rèn)證，但其設(shè)計(jì)人員必須熟悉電磁兼容設(shè)計(jì)，以使認(rèn)證過程順利進(jìn)行。擁有一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的業(yè)務(wù)合作伙伴，他們具有設(shè)計(jì)HMI接口設(shè)備并通過認(rèn)證過程的歷史，這對(duì)于產(chǎn)品成功發(fā)布至關(guān)重要。

產(chǎn)品生命周期

工業(yè)、醫(yī)療和軍用設(shè)備的產(chǎn)品壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過消費(fèi)類產(chǎn)品，包括銷售和支持，通常要超過十年或更長(zhǎng)時(shí)間?？捎眯允撬x組件和隨后監(jiān)控過時(shí)的函數(shù)。最關(guān)鍵的是，處理器、顯示器（帶觸摸屏）和其他重要組件的選擇必須考慮到使用壽命。面向消費(fèi)者的處理器、顯示器和復(fù)雜的外圍設(shè)備（如無線模塊）的可用時(shí)間通常不超過 2-3 年。在設(shè)計(jì)階段了解供應(yīng)鏈至關(guān)重要。

定制人機(jī)界面設(shè)計(jì)

鑒于設(shè)計(jì)參數(shù)范圍如此之廣，復(fù)雜的機(jī)器通常需要定制的HMI，通常以滿足顯示器、觸摸屏和外圍設(shè)備的要求。底層處理器電路通常可以通過對(duì)特定顯示器、觸摸屏和外設(shè)進(jìn)行微小的修改來利用。在尋找定制 HMI 時(shí)，請(qǐng)尋找從已知的、經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)開始的解決方案，以減少開發(fā)時(shí)間、成本和風(fēng)險(xiǎn)。

審核編輯：郭婷